，，，，，，

(1.河鋼集團(tuán)承鋼公司，承德 067102；2.東北大學(xué)，軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819；3.河鋼集團(tuán)鋼研總院，石家莊 050023)

0 引 言

大氣腐蝕是鋼鐵材料破壞的主要方式之一，世界上每年因腐蝕而報(bào)廢的金屬設(shè)備和材料量相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的20%～40%，我國每年因鋼材銹蝕而造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過100億元。耐候鋼是在普通碳鋼的成分基礎(chǔ)上添加少量銅、鎳、鉻等合金元素而開發(fā)的,廣泛應(yīng)用于鐵路、建筑、橋梁等領(lǐng)域。在使用過程中，耐候鋼表面會(huì)形成一層致密的、附著牢固的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜，阻止腐蝕介質(zhì)(氧和水)對(duì)基體的進(jìn)一步侵蝕，從而大大提高其耐大氣腐蝕能力[1]；其耐大氣腐蝕能力可以達(dá)到普通碳鋼的2～8倍[2-3]。

耐候鋼在鐵道車輛用鋼材中占比很大。鐵道車輛在使用過程中不斷受到大氣腐蝕和動(dòng)載荷磨蝕作用，惡劣的工況環(huán)境要求所使用的鋼材具有高可靠性、長壽命、輕量化等性能，同時(shí)其成本要低。隨著鐵路現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，高速、重載要求的不斷提高，鐵道車輛的車體材料也開始由低強(qiáng)度普通碳鋼、低強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼向高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼的方向發(fā)展，而實(shí)現(xiàn)鐵道車輛輕量化的有效措施之一是采用高強(qiáng)度材料[4]。因此，作者單位開發(fā)了Q500NQR1和Q550NQR1高強(qiáng)耐候鋼，研究了其顯微組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能，為鐵道車輛用鋼的選擇提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

為滿足耐大氣腐蝕性能、力學(xué)性能和焊接性能等方面的要求，采用低碳、硫、磷，添加銅、鉻、鎳等耐大氣腐蝕元素，添加鈮、鈦等微合金化元素的設(shè)計(jì)方案對(duì)TB/T 1979-2014中的鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼——Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的成分進(jìn)行改進(jìn)[5-6]。利用銅、鉻、鎳等合金元素實(shí)現(xiàn)在大氣腐蝕環(huán)境下耐候鋼的均勻鈍化；利用鈮、鈦微合金化元素和控軋控冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化，從而提高耐候鋼的強(qiáng)韌性；低碳當(dāng)量則保證了良好的焊接性能。改進(jìn)后2種耐候鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 2種耐候鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of two weathering resistant steels (mass) %

1.2 中試軋制工藝

利用真空感應(yīng)爐熔煉出150 kg鑄錠，鍛造成尺寸為110 mm(厚度)×110 mm(寬度)的方坯。將方坯在加熱爐中加熱到1 200 ℃保溫120 min，在450 mm四輥可逆式軋機(jī)上軋至12 mm厚。采用奧氏體完全再結(jié)晶區(qū)和未再結(jié)晶區(qū)兩階段軋制工藝，總壓下率大于70%。軋后快速冷卻至終冷溫度，終冷后進(jìn)行石棉保溫冷卻以模擬卷取過程。2種耐候鋼的中試軋制工藝參數(shù)分別見表2和表3。

表2 Q500NQR1耐候鋼的中試軋制工藝參數(shù)Table 2 Pilot rolling process parameters for Q500NQR1weathering resistant steel

表3 Q550NQR1耐候鋼的中試軋制工藝參數(shù)Table 3 Pilot rolling process parameters for Q550NQR1weathering resistant steel

1.3 工業(yè)生產(chǎn)工藝

在1 780 mm熱連軋生產(chǎn)線上進(jìn)行Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的工業(yè)生產(chǎn)，工藝流程為脫硫→150 t轉(zhuǎn)爐冶煉→鋼包精煉爐(LF)精煉→RH精煉→板坯保護(hù)澆注→板坯加熱→高壓水除鱗→粗軋→(熱卷箱)→精軋→層冷→卷取→檢驗(yàn)→包裝→入庫。連鑄坯厚度為200 mm，成品厚度為5 mm；軋制中間坯厚度為50.8 mm。Q500NQR1耐候鋼(鋼板號(hào)1705006001)的粗軋結(jié)束溫度為1 028 ℃，精軋終軋溫度在860～890 ℃，卷取溫度在600～640 ℃；Q550NQR1耐候鋼(鋼板號(hào)1709757001)的粗軋結(jié)束溫度為1 050 ℃，精軋終軋溫度在860～880 ℃，卷取溫度在600～640 ℃。軋后2種耐候鋼板的表面質(zhì)量均優(yōu)良。

1.4 試驗(yàn)方法

在中試和工業(yè)生產(chǎn)的鋼板上截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光、體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精腐蝕后，利用LEICAQ550IW型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。在鋼板上橫向截取圓棒狀拉伸試樣，標(biāo)距為50 mm，根據(jù)GB/T 228.1-2010，在5105-SANS型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為3 mm·min-1。按照GB/T 229-2007，在ZBC2452-B型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度-40 ℃，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開V型缺口。

根據(jù)TB/T 2375-1993，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)耐候鋼和對(duì)比用Q345B鋼同時(shí)進(jìn)行周期浸潤腐蝕試驗(yàn)，腐蝕試驗(yàn)箱型號(hào)為ZQFS-1200OZ，腐蝕介質(zhì)為0.01 mol·L-1NaHSO3溶液，pH在4.4～4.8，補(bǔ)給液為0.02 mol·L-1NaHSO3溶液。采用干濕交替方式，試驗(yàn)溫度為(45±2) ℃，相對(duì)濕度為70%±5%，設(shè)置紅外燈烘烤環(huán)境，烘烤后試樣表面的最高溫度為(70±10) ℃，腐蝕時(shí)間分別為24，72，168，240，360 h。周期浸潤腐蝕試驗(yàn)后，用數(shù)碼相機(jī)觀察試樣表面的宏觀腐蝕形貌，用FEI QUANTA 600型掃描電鏡(SEM)觀察表面和截面微觀腐蝕形貌，截面試樣用環(huán)氧樹脂進(jìn)行鑲嵌，利用JEOL-8530F型電子探針(EPMA)對(duì)銹層成分進(jìn)行分析。利用X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，采用銅靶，Kα射線，掃描步長0.04°，用帶有PDF-2標(biāo)準(zhǔn)卡片庫的MDI Jade軟件通過峰值位置自動(dòng)匹配法來進(jìn)行物相的確定。用由500 mL鹽酸+1 000 mL蒸餾水+3.5 g六次甲基四胺組成的溶液去除表面腐蝕產(chǎn)物層(銹層)，表面銹層去除干凈后用酒精清洗，冷風(fēng)吹干，置于干燥器皿中干燥24 h,取出，稱取質(zhì)量，計(jì)算腐蝕速率和相對(duì)腐蝕速率，計(jì)算公式分別為

×106

(1)

WR=W/WC

(2)

式中：W為腐蝕速率，g·mm-2·h-1；WR為相對(duì)腐蝕速率；m0為腐蝕前試樣的質(zhì)量，g；m1為腐蝕后試樣的質(zhì)量，g；a為試樣長度，mm；b為試樣寬度，mm；c為試樣厚度，mm；WC為對(duì)比材料Q345B鋼的腐蝕速率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 中試軋制耐候鋼的顯微組織和力學(xué)性能

由圖1可以看出，3種工藝軋制后Q500NQR1耐候鋼的顯微組織均由均勻細(xì)小的鐵素體、珠光體和少量貝氏體組成。

由圖2可知：3種工藝軋制后Q550NQR1耐候鋼的顯微組織與Q500NQR1耐候鋼的基本相同，也均由均勻細(xì)小的鐵素體、珠光體和少量貝氏體組成。

圖1 不同工藝軋制后Q500NQR1耐候鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of Q500NQR1 weathering resistant steel after rolling with different processes:(a) process 1-1; (b) process 1-2 and (c) process 1-3

圖2 不同工藝軋制后Q550NQR1耐候鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of Q550NQR1 weathering resistant steel after rolling with different processes:(a) process 2-1; (b) process 2-2 and (c) process 2-3

由表4可見：不同工藝軋制后2種耐候鋼的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求，在具有高強(qiáng)度的同時(shí)保持了低的屈強(qiáng)比，并具有良好的沖擊韌性和塑性；Q500NQR1耐候鋼的-40 ℃沖擊功遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)下限值，而Q550NQR1耐候鋼具有更低的屈強(qiáng)比。

2.2 工業(yè)生產(chǎn)耐候鋼的顯微組織和拉伸性能

由圖3可見，工業(yè)生產(chǎn)Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的顯微組織均主要由均勻的鐵素體、珠光體和少量貝氏體組成，晶粒度11.5級(jí)。

由表5可知：工業(yè)生產(chǎn)Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的拉伸性能良好，滿足TB/T 1979-2014標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求，且塑性良好，保證了成形性。

表4 不同工藝軋制后2種耐候鋼的力學(xué)性能及標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)Table 4 Mechanical properties of two weathering resistant steels after rolling with different processes and the standard indices

圖3 工業(yè)生產(chǎn)Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of Q500NQR1 (a) and Q550NQR1 (b) weathering resistant steels by industrial production

表5 工業(yè)生產(chǎn)2種耐候鋼的拉伸性能Table 5 Tensile properties of two weathering resistantsteels by industrial production

2.4 工業(yè)生產(chǎn)耐候鋼的耐腐蝕性能

圖4 2種耐候鋼和Q345B鋼的腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間的變化曲線Fig.4 Corrosion rate vs corrosion time curves of two weatheringresistant steels and Q345B steel

由圖4可以看出，2種耐候鋼腐蝕速率隨時(shí)間的變化規(guī)律相同，均可分為2個(gè)階段：第1階段(0～168 h)為腐蝕減緩階段，此階段內(nèi)的腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間的延長而下降；第2階段(168～360 h)為腐蝕平穩(wěn)階段，此階段內(nèi)的腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間的延長趨于平穩(wěn)。在腐蝕初期，2種耐候鋼的腐蝕速率均迅速降低，這是由于在鋼基體的表面形成了一層腐蝕產(chǎn)物層，對(duì)基體與腐蝕介質(zhì)之間的電化學(xué)反應(yīng)起到了阻礙作用；在腐蝕后期，鋼基體表面形成了較厚的銹層，且銹層變得致密穩(wěn)定，起到了保護(hù)膜的作用，阻礙了基體與腐蝕介質(zhì)的深度反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕速率趨于穩(wěn)定[5]。Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的腐蝕速率均明顯低于Q345B鋼的，且當(dāng)腐蝕時(shí)間為72 h時(shí)，相對(duì)腐蝕速率(相對(duì)于Q345B鋼)分別為44.5%，40.1%，滿足相對(duì)腐蝕速率(相對(duì)于Q345B鋼)低于55%的TB/T 1979-2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

由圖5可知：在腐蝕24 h后，Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼表面即產(chǎn)生一層薄而均勻的銹層，隨著腐蝕時(shí)間的延長，銹層的顏色由淺變深，且銹層完整，與基體的結(jié)合較緊密； Q345B鋼表面的銹層顏色深淺不一，在腐蝕后期有大量腐蝕產(chǎn)物從鋼基體上脫離，不能很好地起到阻擋腐蝕介質(zhì)對(duì)基體的侵蝕作用。

由圖6可以看出：在腐蝕初期，對(duì)比用Q345B鋼表面的銹層呈疏松多孔狀，腐蝕360 h時(shí)表面腐蝕產(chǎn)物呈發(fā)散的針狀團(tuán)簇，致密性能很差，空氣及腐蝕介質(zhì)容易進(jìn)入基體；腐蝕168 h時(shí)2種耐候鋼表面的腐蝕產(chǎn)物變成球狀團(tuán)簇，腐蝕360 h時(shí)腐蝕產(chǎn)物長大，團(tuán)簇間變得緊密，這種緊密的結(jié)構(gòu)能夠阻礙腐蝕介質(zhì)進(jìn)入基體，起到很好的保護(hù)作用。

圖5 2種耐候鋼和Q345B鋼在腐蝕不同時(shí)間后的表面宏觀形貌Fig.5 Surface macromorphology of two weathering resistant steels and Q345B steel after corrosion for different times: (a-e) Q345B steel;(f-j) Q500NQR1 weathering resistant steel and (k-o) Q550NQR1 weathering resistant steel

圖6 2種耐候鋼和Q345B鋼在腐蝕不同時(shí)間后的表面微觀形貌Fig.6 Surface micromorphology of two weathering resistant steels and Q345B steel after corrosion for different times: (a-c) Q345B steel;(d-f) Q500NQR1 weathering resistant steel and (g-i) Q550NQR1 weathering resistant steel

由圖7可以看出：腐蝕24 h時(shí)，銅元素并未在銹層中出現(xiàn)富集；腐蝕72 h時(shí)，銅、鉻、磷和鎳元素在銹層中均出現(xiàn)明顯富集。銅、鉻在基體與銹層之間的富集說明形成了富銅鉻的阻擋層，該阻擋層與鋼基體結(jié)合牢固，具有較好的保護(hù)作用，有利于提高耐腐蝕性能。

圖7 腐蝕不同時(shí)間后Q500NQR1耐候鋼表層的截面SEM形貌和元素分布Fig.7 SEM morphology (a, c) and element distribution (b, d) on cross section of surface layer of Q500NQR1 weatheringresistant steel after corrosion for different times

3 結(jié) 論

(1) 中試軋制和工業(yè)生產(chǎn)的Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的顯微組織均由鐵素體、珠光體和貝氏體組成；2種耐候鋼均具有高的強(qiáng)度和良好的沖擊韌性，滿足鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。

(2) 工業(yè)生產(chǎn)的Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的耐大氣腐蝕性能優(yōu)良，腐蝕72 h時(shí)的相對(duì)腐蝕速率(對(duì)比材料為Q345B鋼)分別為44.5%，40.1%，滿足鐵路用耐候鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求；隨著腐蝕時(shí)間的延長，耐候鋼表面的腐蝕產(chǎn)物逐漸變成球狀團(tuán)簇，且球狀團(tuán)簇間變得緊密，能有效阻礙腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼基體的侵蝕。

(3) 當(dāng)腐蝕72 h時(shí)，Q500NQR1耐候鋼表面銹層中銅、鉻、磷和鎳元素均出現(xiàn)了明顯富集現(xiàn)象，說明在鋼基體與腐蝕介質(zhì)之間形成了富銅鉻阻擋層，且該阻擋層與鋼基體結(jié)合較好，能起到良好的保護(hù)作用。

參考文獻(xiàn)::

[2] 劉清友, 汪兵, 王向東. 耐候鋼的研究, 應(yīng)用及展望[J]. 鋼結(jié)構(gòu), 2011(增刊1): 112-113.

[3] 王俊山.高耐蝕性鐵路貨車用S450EW鋼的研制開發(fā)[D]. 沈陽:東北大學(xué), 2015.

[4] 陸匠心, 李愛柏, 李自剛, 等. 寶鋼耐候鋼產(chǎn)品開發(fā)的現(xiàn)狀及展望[J]. 中國冶金, 2004(12): 23-28.

[5] 晁月林, 周玉麗, 邸全康, 等. Cu，P，Cr和Ni對(duì)低碳鋼耐蝕性的影響[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2014(1): 70-74.

[6] TOWNSEND H E. Effects of alloying elements on the corrosion of steel in industrial atmospheres[J]. Corrosion, 2001, 57(6): 497-501.